Проектирование сцены, привода и энкодера.

Компоненты, составляющие вашу высокоточную систему позиционирования — подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода и контроллер — должны работать вместе как можно лучше. Часть 1 посвящена основанию системы и подшипникам. Часть 2 посвящена измерению положения. Здесь мы обсуждаем конструкцию сцены, привода и энкодера; усилитель привода; и контроллеры.

Три наиболее часто используемых метода сборки линейных каскадов при использовании линейных энкодеров:
• Привод и энкодер располагаются в центре масс слайда или максимально близко к нему.
• Привод расположен в центре масс, энкодер крепится с одной стороны.
• Привод расположен с одной стороны, энкодер — с другой.

Идеальная система имеет привод в центре массы ползуна с энкодером. Однако это обычно непрактично. Обычный компромисс размещает привод немного смещенным в одну сторону; энкодер немного смещенным в другую. Это дает хорошее приближение к центральному приводу с обратной связью по движению рядом с системой привода. Центральные приводы предпочтительны, поскольку сила привода не вносит нежелательных векторов силы в ползун, вызывающих скручивание или взвод. Поскольку система подшипников жестко ограничивает ползун, взвод приведет к увеличению трения, износа и неточности положения нагрузки.

Альтернативный метод использует систему портального типа с двумя приводами, по одному с каждой стороны слайда. Результирующая движущая сила эмулирует центральный привод. С помощью этого метода вы можете разместить обратную связь по положению в центре. Если это невозможно, вы можете разместить энкодеры с каждой стороны и управлять столом с помощью специального программного обеспечения для портального привода.

Усилитель привода
Усилители сервопривода получают управляющие сигналы, обычно ±10 В постоянного тока, от контроллера и обеспечивают рабочее напряжение и выходной ток для двигателя. В общем, существует два типа усилителей мощности: линейный усилитель и усилитель с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Линейные усилители неэффективны и поэтому используются в основном на маломощных приводах. Основными ограничениями выходной мощности линейного усилителя являются тепловые характеристики выходного каскада и характеристики пробоя выходных транзисторов. Рассеиваемая мощность выходного каскада является произведением тока и напряжения на выходных транзисторах. Усилители ШИМ, напротив, эффективны и обычно используются для мощностей свыше 100 Вт. Эти усилители переключают выходное напряжение на частотах до 50 МГц. Среднее значение выходного напряжения пропорционально командному напряжению. Преимущество этого типа в том, что напряжение включается и выключается, что приводит к значительному увеличению рассеиваемой мощности.

После выбора типа усилителя следующим шагом будет обеспечение того, чтобы усилитель мог обеспечивать требуемый непрерывный ток и выходное напряжение на требуемых уровнях для максимальной скорости вращения двигателя (или линейной скорости для линейных двигателей) в данном приложении.

Для бесщеточных линейных двигателей можно провести еще одно различие между усилителями. Обычно используются два типа коммутации двигателя: трапециевидная и синусоидальная. Трапециевидная коммутация — это цифровой тип коммутации, при котором ток для каждой из трех фаз включается или выключается. Обычно это делают датчики Холла, имплантированные в двигатель. Внешние магниты активируют датчики. Однако связь между датчиками Холла, обмотками катушек и магнитами имеет решающее значение и всегда предполагает небольшой допуск положения. Таким образом, время отклика датчиков всегда происходит немного не в фазе с истинными положениями катушек и магнитов. Это приводит к небольшому изменению в подаче тока на катушки, что приводит к неизбежной вибрации.

Трапециевидная коммутация менее подходит для очень точного сканирования и приложений с постоянной скоростью. Однако она менее затратна, чем синусоидальная коммутация, поэтому она широко используется для высокоскоростных систем точка-точка или в системах, где плавность движения не влияет на обработку.

При синусоидальной коммутации не происходит переключения Вкл-Выкл. Вместо этого, посредством электронного переключения, 360-градусный сдвиг фаз тока трех фаз модулируется по синусоидальной схеме. Это приводит к плавной, постоянной силе от двигателя. Синусоидальная коммутация поэтому хорошо подходит для создания точных контуров и для приложений, требующих точной постоянной скорости, таких как сканирование и использование зрения.

Контроллеры
Существует больше классов контроллеров, чем мы можем здесь адекватно обсудить. В принципе, контроллеры можно разделить на несколько категорий в зависимости от языка программирования и логики управления.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) используют схему логики «лестницы». Они используются в основном для управления несколькими дискретными функциями ввода/вывода (I/O), хотя некоторые из них предлагают ограниченные возможности управления движением.

Системы числового программного управления (ЧПУ) программируются с помощью стандартного языка промышленности RS274D или его варианта. Они могут выполнять сложные движения, такие как сферические и винтовые формы с многоосевым управлением.

Системы без ЧПУ используют различные фирменные операционные системы, включая простые в использовании интерфейсные программы для базовых профилей движения. Большинство этих контроллеров состоят из базового модуля контроллера без монитора или клавиатуры. Контроллер взаимодействует с хостом через порт RS-232. Хостом может быть персональный компьютер (ПК), неинтеллектуальный терминал или портативное устройство связи.

Почти все современные контроллеры являются цифровыми. Они обеспечивают уровень надежности и простоты использования, неслыханный для аналоговых контроллеров. Информация обратной связи по скорости обычно выводится из сигнала положения оси. Все параметры сервопривода настраиваются с помощью программного обеспечения, а не путем кропотливой настройки «потенциометров» усилителя привода, которые имеют тенденцию к дрейфу после использования и при изменении температуры. Большинство современных контроллеров также предлагают автонастройку всех параметров сервопривода оси.

Более продвинутые контроллеры также включают распределенную обработку и управление осями цифрового сигнального процессора (DSP). DSP по сути является процессором, специально разработанным для выполнения математических вычислений очень быстро (по крайней мере в десять раз быстрее, чем микропроцессор). Это может обеспечить время выборки сервопривода порядка 125 мс. Преимуществом является точное управление осью для постоянного контроля скорости и плавного контурирования.

Алгоритм пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) фильтра и прямая связь скорости и ускорения улучшают сервоуправление осями. Кроме того, программирование S-кривой профилей ускорения и замедления контролирует рывок, который обычно сопровождает начало и остановку движения стола. Это обеспечивает более плавную, более контролируемую работу, что приводит к более быстрому времени установления как положения, так и скорости.

Контроллеры также включают обширные возможности цифрового или аналогового ввода/вывода. Пользовательская программа или подпрограмма может быть изменена в зависимости от положения, времени или информации о состоянии, значений переменных, математических операций, внешних или внутренних событий ввода/вывода или прерываний ошибок. Пользовательский процесс может быть легко автоматизирован.

Кроме того, большинство контроллеров могут увеличить разрешение обратной связи по положению с помощью электронного умножения. Хотя умножение 4× является обычным, некоторые продвинутые контроллеры могут умножать до 256×. Хотя это не обеспечивает улучшения точности, оно действительно повышает стабильность положения оси и — что более важно во многих случаях — повторяемость.

В вашем общем подходе, помимо факторов, упомянутых выше, вы должны учитывать другие факторы, которые могут изменить решения по компонентам, такие как бюджет, окружающая среда, ожидаемый срок службы, простота обслуживания, среднее время безотказной работы и предпочтения конечного пользователя. Модульный подход позволяет собирать систему из стандартных, легкодоступных компонентов, которые будут соответствовать даже самым строгим требованиям приложений, если система анализируется снизу вверх на общую совместимость компонентов.